Предположение о связи мозга с «разумом», «управляющим духом» – всем тем, что теперь называется психической деятельностью и центральной регуляцией функций организма – заслуга мыслителей, живших многие сотни лет до нас – Гиппократа, Платона.
Основные сведения, которые могут иметь отношение к феноменологии психической деятельности человека, были получены благодаря широкому внедрению современных инструментальных методов нейрофизиологии. Эти методы позволяют прямо или косвенно оценивать функциональное состояние центральной нервной системы.
Электроэнцефалография – метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов.
На электроэнцефалограмме регистрируется сложный колебательный электрический процесс, который является результатом электрической суммации и фильтрации элементарных процессов, протекающих в нейронах головного мозга, работающих в значительной степени независимо.
Многочисленные исследования показывают, что электрические потенциалы отдельных нейронов головного мозга связаны тесной и достаточно точной количественной зависимостью с информационными процессами.
Для того чтобы нейрон генерировал потенциал действия, передающий сообщение другим нейронам или эффекторным органам, необходимо, чтобы собственное его возбуждение достигло определенной пороговой величины. Уровень возбуждения нейрона определяется суммой возбуждающих и тормозных воздействий, оказываемых на него в данный момент через синапсы. Если сумма возбуждающих воздействий больше суммы тормозных на величину, превышающую пороговый уровень, нейрон генерирует нервный импульс, распространяющийся затем по аксону.
Мембрана — оболочка нейрона — обладает электрическим сопротивлением. За счет энергии обмена веществ концентрация положительных ионов во внеклеточной жидкости поддерживается на более высоком уровне, чем внутри нейрона. В результате существует определенная разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется потенциалом покоя нервной клетки и составляет около 60-70 мВ. Внутриклеточная среда заряжена отрицательно относительно внеклеточного пространства.
Наличие разности потенциалов между внутриклеточной и внеклеточной средой носит название поляризации мембраны нейрона. Увеличение этой разности потенциалов называется соответственно гиперполяризацией, а уменьшение — деполяризацией.
Наличие потенциала покоя является необходимым условием нормального функционирования нейрона и генерирования им электрической активности. При прекращении обмена веществ или снижении его ниже допустимого уровня различия концентраций заряженных ионов по обе стороны мембраны сглаживаются, с чем связано прекращение электрической активности в случае клинической или биологической смерти мозга.
Электрические процессы, происходящие на уровне отдельных нейронов и их отростков, регистрируются с помощью микроэлектродов, вводимых непосредственно в нейрон.
В клинической электроэнцефалографии электрическую активность измеряют при помощи электродов, которые превышают размер нейрона в десятки тысяч раз.
Электроды устанавливаются на интактные покровы головы, т.е. весьма далеко от генерирующей электрическую активность ткани.
В таких условиях элементарные потенциалы отдельных нейронов выделены быть не могут и электроэнцефалограмма представляет собой суммарную регистрацию электрической активности многих тысяч и даже миллионов нервных элементов.
В связи с этим возникает вопрос о том, какие процессы организации отражаются в этой суммарной электрической активности.
В норме на электроэнцефалограмме регистрируется достаточно организованный колебательный процесс, в котором можно отчетливо выделить регулярные ритмические составляющие. Это является прямым доказательством того, что нейроны мозга работают не в случайных режимах, а синхронизируют свою активность между собой, т.е. объединяются в большие группы, дающие относительно одновременные положительные и отрицательные колебания потенциала, которые и приводят к выделению из общего «шума» мозговой активности ритмического сигнала, регистрируемого электроэнцефалографом.
Одним из наиболее важных в теоретическом и практическом плане вопросов является выяснение того, какие системы мозга играют главную роль в синхронизации мозговой активности.
Электрическая активность отдельных нервных клеток отражает их функциональную активность по переработке и передаче информации. Отсюда можно сделать заключение, что суммарная электроэнцефалограмма также в преобразованном виде отражает функциональную активность, но уже не отдельных нервных клеток, а их громадных популяций, т.е. функциональную активность мозга.
Это положение представляется исключительно важным для анализа электроэнцефалограммы, поскольку дает ключ к пониманию того, какие системы мозга определяют внешний вид электроэнцефалограммы и внутреннюю организацию мозговой активности.
Не анализируя детально все теоретические и экспериментальные данные, можно достаточно уверенно констатировать, что на разных уровнях ствола и в передних отделах лимбической системы имеются ядра, активация которых приводит к изменению уровня функциональной активности практически всего мозга.
Среди этих систем выделяют восходящие активирующие системы, расположенные на уровне ретикулярной формации среднего мозга и в преоптических ядрах переднего мозга и тормозящие, сомногенные системы, расположенные главным образом в неспецифических таламических ядрах, в нижних отделах моста и продолговатом мозге.
Общими для обеих этих систем являются ретикулярная организация их подкорковых механизмов и диффузные, двусторонние корковые проекции. Поскольку конечный эффект действия этих двух систем реализуется на одних и тех же мозговых корковых системах, уровень функциональной активности определяется удельным весом активности каждой из систем в конкретной ситуации.
Изменения функциональной активности мозга находят достаточно однозначное отражение на электроэнцефалограмме. Связь этих изменений с электроэнцефалографическими проявлениями настолько велика, что в современных исследованиях электроэнцефалографические показатели являются одними из важнейших при оценке уровня функциональной активности в клинической нейрофизиологии и психофизиологии.
Многочисленными исследованиями на человеке показано, что возбуждение активирующих ретикулокортикальных систем (например, в ответ на предъявление нового стимула, вызвавшего непроизвольное внимание) приводит к десинхронизации основного ритма, которая проявляется снижением амплитуды среднечастотного альфа-компонента, доминирующего в состоянии покоя, и усилением представленности высокочастотных колебаний альфа-диапазона, бета- и гамма - активности.
Высокий уровень функциональной активности мозга, соответствующий эмоциональному напряжению, направленному вниманию, выполнению новой задачи, требующей интеллектуальной мобилизации, характеризуется повышением объема воспринимаемой и перерабатываемой мозгом информации, требований к гибкости и мобильности мозговых систем.
Для всего этого необходима большая автономия нейронов в осуществлении их функций, что соответствует большей информационной содержательности процессов, в них происходящих. Это повышение степени свободы и автономности активности отдельных нейронов во времени и проявляется десинхронизацией в суммарной электрической активности.
Снижение уровня функциональной активности сопровождается сокращением афферентного притока и большей зависимостью организации нейронной активности мозга от эндогенных механизмов. В этих условиях отдельные нейроны, объединяясь в большие синхронизированные группы, оказываются в большей зависимости от деятельности связанных с ними больших популяций нейронов. Мозговые системы работают в этих условиях как бы на резонансных режимах, в связи с чем ограничиваются возможности включения нейронов в новую активность и возможность их реагирования на поступающие извне стимулы.
Синхронизированная активность, отражающаяся на электроэнцефалограмме регулярными высокоамплитудными, но медленными колебаниями, соответствует меньшей информационной содержательности, что совпадает с низким уровнем функциональной активности мозга.
Метод регистрации электроэнцефалограммы – суммарной электрической активности, отводимой с поверхности головы, рассматривается как наиболее распространенный и адекватный для изучения нейрофизиологических основ психической деятельности.
Многоканальная запись электроэнцефалограммы позволяет одномоментно регистрировать электрическую активность многих функционально различных областей коры.
Электроэнцефалограмма отводится с помощью специальных электродов (чаще серебряных), которые фиксируются на поверхности черепа шлемом или крепятся клеящей пастой. Наиболее часто используется расположение электродов по системе 10-20 %, где их координаты рассчитаны по основным костным ориентирам. Поскольку электроэнцефалография отражает разность потенциалов между двумя точками, для выяснения активности отдельных корковых областей используют индифферентный электрод, помещаемый чаще всего на мочке уха. Это так называемое монополярное отведение. Наряду с этим анализируется разность потенциалов между двумя активными точками (биполярное отведение).
Электроэнцефалография как самостоятельная область клинической диагностики имеет свой специфический язык – электроэнцефалографическая семиотика. Как для всякого колебательного процесса, основными понятиями, на которые опирается характеристика электроэнцефалограммы, являются частота, амплитуда и фаза.
Частота определяется количеством колебаний в секунду; ее записывают соответствующим числом и сокращенным обозначением секунды после знака дроби.
Поскольку электроэнцефалография представляет собой вероятностный процесс, на каждом участке записи встречаются волны различных частот, поэтому в заключение приводят среднюю частоту оцениваемой активности.
Амплитуда — размах колебаний электрического потенциала на электроэнцефалограмме, измеряют от пика предшествующей волны до пика последующей волны в противоположной фазе, оценивают амплитуду в микровольтах. Для измерения амплитуды используют калибровочный сигнал. Так, если калибровочный сигнал, соответствующий напряжению в 50 микровольт, имеет на записи высоту 10 мм, то соответственно 1 мм отклонения записи будет означать 5 микровольт.
Фаза определяет текущее состояние процесса и указывает на направление вектора его изменений.
Независимо от способа регистрации в электроэнцефалограмме выделяются следующие типы ритмических колебаний: дельта-ритм, тета-ритм, альфа-ритм – это основной ритм электроэнцефалограммы, преимущественно выраженный в каудальных отделах коры (затылочной и теменной), бета-ритм, гамма-колебания.
Эти ритмы различаются не только по своим частотным, но и функциональным характеристикам. Их амплитуда, топография, соотношение являются важным диагностическим признаком и критерием функционального состояния различных областей коры при реализации психической, интеллектуальной деятельности.
Известно, что в спокойном состоянии у человека альфа ритм электроэнцефалограммы регистрируется в затылочной области мозга при закрытых глазах. Рядом авторов показана локализация генераторов этого ритма в зрительной коре. Таким образом, альфа-ритм лучше всего выражен в затылочных отделах и имеет наибольшую амплитуду в состоянии спокойного расслабленного бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемненном помещении. При повышении уровня функциональной активности мозга (напряженное внимание, интенсивная психическая работа, чувство страха) амплитуда альфа-ритма уменьшается, часто до полного его исчезновения. На электроэнцефалограмме появляется высокочастотная нерегулярная активность.
Бета-ритм — ритм электроэнцефалограммы, присущий состоянию активного бодрствования. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга. Так, выраженность бета-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении.
Дельта- и тета колебания могут в небольшом количестве и при амплитуде, не превышающей амплитуду альфа-ритма, встречаться на электроэнцефалограмме взрослого бодрствующего человека. В этом случае они указывают на определенное снижение уровня функциональной активности мозга.
Необходимо также сказать о том, что существуют различные предположения о значении медленноволновой активности на электроэнцефалограмме. В работах Леонида Ростиславовича Зенкова с соавторами отмечено, что патологическими считаются электроэнцефалограммы, содержащие тета – и дельта колебания, превышающие по амплитуде 40 микровольт и занимающие более 15% от общего времени регистрации.
По данным других ученых дельта-волны регистрируются тогда когда человек находится в состоянии глубоко сна, во время гипноза, в состоянии транса.
В тоже время имеются данные о том, что дельта-волны – это своеобразный радар, принимающий информацию на инстинктивном уровне. Люди с большой амплитудой дельта-волн, как правило, обладают хорошо развитой интуицией. Большая амплитуда дельта-волн делает человека чрезвычайно проникновенным. Такие люди привыкли полагаться на свое шестое чувство, так как оно часто подсказывает им правильные выходы из самых различных ситуаций.
Анализ электроэнцефалограммы осуществляется как визуально, так и с помощью компьютерных методов.
Визуальная оценка применяется в клинической практике. С целью унификации и объективизации диагностических оценок используется метод структурного анализа электроэнцефалографии, основанный на выделении функционально сходных признаков и их объединении в блоки, отражающие характер активности структур мозга различного уровня.
Спектральный, корреляционный анализы, и особенно, анализ функции когерентности ритмической активности позволяют оценивать степень сходства организации ритмов на электроэнцефалограмме в различных мозговых структурах. Сходство организации биоритмов рассматривается как необходимая предпосылка взаимодействия и адекватный показатель функционального объединения структур мозга при осуществлении различных видов деятельности.
Для изучения механизмов регуляции и динамики нервных процессов, а также для уточнения наличия и локализации очага патологической активности и размеров поражения мозга применяют функциональные пробы. В первую группу включены пробы, позволяющие исследовать реакции мозга на внешние раздражители, например реакция активации, фото и фоностимуляция. Другая группа функциональных проб связана с воздействием на внутреннее состояние организма путем изменения его метаболизма, фармакологических или некоторых механических воздействий, изменяющих гемоциркуляцию в мозге, например гипервентиляция. В отдельных случаях применяют такую пробу как депривация сна и при проведении электроэнцефалографии у детей с эпилептическими приступами некоторые специалисты рекомендуют проводить так называемую пробу «отмены противоэпилептических препаратов» с целью исследовать наличие вероятности провокации приступа.
Реакция активации – это проба с открыванием и закрыванием глаз, которая проявляется в виде снижения амплитуды основного ритма. Реакция активации интересна в плане провокации некоторых форм генерализованной эпилептической активности, которая появляется через короткое время после закрывания глаз, особенно это касается бессудорожных форм приступов. Локальная (корковая) эпилептическая активность обычно при десинхронизации (во время открывания глаз) сохраняется. В то время как эпилептическая активность обусловленная процессом в глубинных структурах мозга может исчезать.
Фотостимуляцию часто проводят световыми мельканиями фиксированной частоты от 5 до 30 Гц сериями по 10-20 секунд. Помимо одиночных вспышек света, в зависимости от цели исследования можно применять серии одинаковых вспышек. Такая функциональная проба позволяет выявлять фотосенситивную эпилептическую активность. Серии вспышек заданной частоты также применяют для исследования реакции усвоения ритма – способности электроэнцефалографических колебаний воспроизводить ритм внешних раздражений. В норме реакция усвоения ритма хорошо выражена на частоте мельканий, близкой к собственным ритмам электроэнцефалограммы.
Фоностимуляция обычно применяется в виде кратковременного громкого звукового сигнала. Информативность этой пробы мала, но иногда встречается провокация локальной эпилептической активности. Интересно появление вертекс-потенциала в начале пробы, который чаще встречается у детей с невротическими проявлениями.
Гипервентиляция – это частое и глубокое дыхание в течение 1-3 минут. Такое дыхание вызывает выраженные обменные изменения в головном мозге за счет интенсивного выведения углекислоты, которые, в свою очередь, способствуют появлению эпилептической активности на электроэнцефалограмме у людей с приступами. Гипервентиляция во время записи электроэнцефалограммы позволяет выявить скрытые эпилептические изменения и уточнить характер эпилептических приступов. Произвольная гипервентиляция как функциональная проба применяется для выявления скрытых поражений нервной системы с 1929 года, когда независимо друг от друга появились работы немецкого ученого Ферстера и американского исследователя Роззета. Ферстер предложил использовать произвольную гипервентиляцию для выявления скрыто протекающих форм эпилепсии. Роззет применял ее для распознавания разнообразных поражений нервной системы. Этот метод в течение нескольких лет широко распространился, и его стали использовать при диагностике не только эпилепсии, но и истерии, мигрени, нарколепсии, невропатии, психопатии, эпидемического энцефалита, органических поражений нервной системы.
С введением в клиническую практику метода электроэнцефалографии было выявлено, что у большого числа больных эпилепсией гипервентиляция уже в первые минуты приводит к появлению и усилению эпилептической активности, усилению и генерализации локальных эпилептических проявлений.
Проба с лишением сна в течение суток, применяется в случаях, когда при «обычном» исследовании пациента с эпилептическими приступами необходимо увеличить вероятность выявления эпилептической активности. Эта проба повышает информативность электроэнцефалографии примерно на 28. Однако, проба достаточно тяжело переносится детьми младше 10 лет.
Другой тип суммарной электрической активности, возникающий в ответ на внешние воздействия, – вызванные потенциалы – отражает изменения функциональной активности областей коры, осуществляющих прием и обработку поступающей информации. Вызванный потенциал представляет собой последовательность разных по полярности – позитивных и негативных компонентов, возникающих после предъявления стимула. Количественными характеристиками вызванных потенциалов являются латентный период (время от начала стимула до максимума каждого компонента) и амплитуда компонентов. Метод регистрации вызванных потенциалов широко используется при анализе процесса восприятия.
В экспериментальных моделях на животных при одновременной регистрации вызванных потенциалов и активности отдельных нейронов была показана связь основного комплекса вызванных потенциалов с возбудительными и тормозными процессами, протекающими на разных уровнях коры больших полушарий. Было обнаружено, что начальные компоненты вызванных потенциалов связаны с активностью пирамидных клеток, воспринимающих сенсорную информацию, – это так называемые экзогенные компоненты. Возникновение других, более поздних фаз ответа, отражает обработку информации, осуществляемую нейронным аппаратом коры при участии не только сенсорного афферентного потока, но и импульсации, поступающей из других отделов мозга, в частности, из ассоциативных и неспецифических ядер таламуса, и по внутрикорковым связям из других корковых зон.
Эти нейрофизиологические исследования положили начало широкому использованию вызванных потенциалов человека для анализа когнитивных процессов.
У человека вызванные потенциалы имеют относительно небольшую амплитуду по сравнению с фоновой электроэнцефалографией, и его изучение стало возможно только при использовании компьютерной техники выделения сигнала из шума и последующего накопления реакций, возникающих в ответ на ряд однотипных стимулов.
Вызванные потенциалы, регистрируемые при предъявлении сложных сенсорных сигналов и решении определенных когнитивных задач, получили название связанных с событиями потенциалов.
При изучении связанных с событиями потенциалов наряду с параметрами, используемыми при анализе вызванных потенциалов, - латентный период и амплитуда компонентов - применяются и другие специальные методы обработки, позволяющие в сложной конструкции вызванных потенциалов дифференцировать компоненты, разные по функциональной значимости.
Вызванные потенциалы на различные раздражители часто являются единственным способом узнать о состоянии глубинных структур мозга и оценить их функцию. Кроме того, поскольку мы регистрируем ответ на известный и строго дозированный раздражитель, мы имеем возможность оценить сохранность зрительной, или, например, слуховой функции.
Ценность получаемой информации о работе различных структур мозга делает вызванные потенциалы незаменимым методом их исследования. Более того, некоторые отделы мозга нельзя тестировать никакими другими методами.
Использование вызванных потенциалов является неоценимым средством для раннего обнаружения и прогнозирования течения различных заболеваний, таких как инсульт, опухоли головного мозга, последствия черепно-мозговой травмы, рассеянный склероз и многих других. Ранняя диагностика этих состояний определяет своевременность назначения их адекватного лечения.
Различают зрительно вызванные потенциалы, слуховые вызванные потенциалы мозгового ствола, соматосенсорные вызванные потенциалы.
Исследование зрительных вызванных потенциалов дает возможность получить объективную информацию о состоянии зрительного нерва, объективно оценить остроту зрения и возможность ее улучшения, оценить работу зрительных центров в головном мозге и контролировать динамику их состояния на фоне лечения.
Акустические стволовые вызванные потенциалы позволяют оценить состояние слухового нерва и центров слухового пути в наиболее глубинных структурах мозга – так называемом мозговом стволе и подкорке. Наиболее часто акустические стволовые вызванные потенциалы применяются в клинической практике для оценки тугоухости, изменений в стволе головного мозга (недостаточность кровообращения, инфаркт, опухоль), воздействия на ствол мозга при травмах и других заболеваниях.
Соматосенсорные вызванные потенциалы – это ответ нервной системы на всех ее уровнях – от нервов конечностей до коры головного мозга. Регистрируются на раздражение нервов рук или ног в зависимости от поставленной задачи. Информативны при нарушениях чувствительности, повреждениях спинного мозга на различных уровнях, подозрениях на поражение подкорковых чувствительных центров и коры головного мозга.
Эхоэнцефалография – это метод исследования головного мозга человека, в основе которого лежит различная проницаемость структур головного мозга для ультразвука. Возможность использования ультразвука для обнаружения невидимых объектов впервые была показана Спаланцани в 1793 году. Он установил, что летучие мыши, лишенные возможности воспринимать звук, теряют способность ориентироваться в темноте.
Ультразвук представляет собой механические распространяющиеся упругие колебания среды с частотой выше частоты слышимого звука, т.е. выше 18 000 Гц.
При высокой частоте колебаний ультразвук может быть сформирован в остро направленные лучи. При длине волны, значительно меньшей, чем толщина среды, в которую переходит ультразвук, и при достаточной разнице акустических сопротивлений двух сред на границах между ними в соответствии с законами геометрической линейной оптики происходит отражение ультразвука. В однородной среде ультразвук распространяется с постоянной скоростью. Для тканей человеческого организма, в частности ткани мозга, эта скорость близка к скорости распространения ультразвука в воде и составляет около 1500 метров в секунду.
Отражение ультразвука по законам геометрической оптики позволяет по направлению посланного ультразвукового луча и положению точки, в которой воспринято эхо, точно определить местоположение отражающей структуры. Эти два главных факта являются основой применения метода ультразвукового зондирования для целей определения положения и топографии внутричерепных структур.
В нормальных условиях отражающими ультразвук структурами являются мягкие покровы и кости головы, мозговые оболочки, интерфазы: мозговое вещество — спинномозговая жидкость, спинномозговая жидкость — эпифиз; а также сосудистые сплетения и некоторые пограничные области серого и белого вещества. В условиях патологии такими отражающими структурами могут быть патологические образования: опухоли, абсцессы, гематомы.
При одномерной эхографии наибольшее значение имеют эхо-сигналы, отраженные от срединных структур мозга: III желудочка, эпифиза и прозрачной перегородки. В норме эти образования лежат в сагиттальной срединной плоскости головы, давая в качестве вариантов отклонения не более 2-3 мм.
При развитии одностороннего супратенториального объемного процесса, сопровождающегося изменением объема соответствующего полушария мозга, происходит смещение срединных структур мозга в сторону здорового полушария. При обратных объемных изменениях — атрофическом процессе в одном из полушарий — смещение может быть направлено в сторону пораженного полушария. Смещение срединных образований мозга может быть зарегистрировано эхоэнцефалографически по соответствующему изменению положения отраженного от них эха на горизонтальной развертке электронно-лучевой трубки эхоэнцефалографа. Это позволяет при учете других клинических данных правильно установить не только сторону поражения, но и в определенной мере его характер (объемные процессы).
При проведении эхоэнцефалографического исследования диагностически важным является изменение положения М-эха (сигнал от срединных структур) так как этот показатель отражает изменения объемных межполушарных соотношений, в большинстве случаев как показатель увеличения объема одного из полушарий под влиянием патологического процесса.
На представленном слайде отражено смещение М-эха слева направо на 12 мм.
Значительное место в расстройстве нормальной работы мозга занимают нарушения мозгового кровообращения. В нейрофизиологии достаточно широко применяется простой метод оценки кровенаполнения в бассейнах основных снабжающих мозг артерий – реоэнцефалография.
Реоэнцефалография представляет собой измерение сопротивления между электродами, особым образом расположенными на поверхности головы, которое в основном обусловлено внутричерепной гемодинамикой. Для предотвращения поляризации и воздействия электрического тока на мозг измерение производится слабым переменным током высокой частоты.
Слайд 21
На слайде показан фрагмент реограммы, которая представляет собой кривую, синхронную с пульсом. Анализ реографических кривых имеет два основных направления: первое направление - визуальный анализ, основанный на трактовке внешней формы реографической волны и ее отдельных деталей; второе направление – анализ с использованием цифровых расчетов.
При визуальном анализе в реограмме выделяют крайние точки волны: начало, вершину и конец. Участок кривой от начала до вершины называется восходящей частью реографической волны – анакрота; участок от вершины до конца волны – нисходящей частью – катакрота.
В норме восходящая часть волны более крутая, а нисходящая часть пологая. На нисходящей части отмечается дополнительная дикротическая волна и инцизура. При повышении тонуса сосудистой стенки дикротическая волна на нисходящей части смещается к вершине волны, а выраженность инцизуры уменьшается. При понижении тонуса происходит обратное явление – резкое увеличение выраженности дикротической волны.
Цифровой анализ реографических кривых позволяет уточнить характер изменений, определяемых визуально, и выявить целый ряд других особенностей в состоянии сосудов изучаемой области.
Наряду с электроэнцефалографией, все большую популярность в последнее время приобретает метод магнитной энцефалографии, обладающий высоким временным и пространственным разрешением, позволяющим локализовать источники активности нейронов коры головного мозга, связанные с выполнением той или иной экспериментальной задачи.
Первые электромагнитные поля нервной системы были зарегистрированы у лягушки с помощью индукционного датчика. Они были записаны с расстояния 12 мм при возбуждении седалищного нерва.
Самый сильный сигнал из порождаемых переменными биотоками у человека дает сердце. Впервые магнитное поле сердца человека было записано в 1963 году. Первые же измерения электромагнитного поля мозга человека были сделаны Коеном в 1968 году. Магнитным методом он зарегистрировал спонтанный альфа-ритм у здоровых обследуемых и изменение активности мозга у эпилептических больных.
Создание магнитометров связано с открытием Джозефсона, за которое он получил Нобелевскую премию.
Работая в области криогенной технологии со сверхпроводящими материалами, он обнаружил, что между двумя сверхпроводниками, разделенными диэлектриком, возникает ток, если они находятся вблизи электромагнитного поля. На основе открытия Джозефсона были созданы СКВИДы — сверхпроводниковые квантомеханические интерференционные датчики.
Однако магнитометры, работающие на базе СКВИДа, относятся к классу очень дорогостоящего оборудования. Это обусловлено тем, что их необходимо регулярно заполнять жидким гелием в качестве диэлектрика. Поэтому дальнейшее совершенствование магнитометров связано с разработкой квантовых магнитометров с оптической накачкой. Были созданы МОНы, в которых вместо жидкого гелия используются пары щелочного металла цезия. Это более дешевые системы, не требующие криогенной техники. В них световой сигнал поступает по световодам от общего источника и достигает фотодетекторов. Каждый магнитометр имеет множество датчиков, что позволяет получать пространственную картину распределения электромагнитного поля.
Магнитоэнефалограф устанавливают в специальном помещении, оборудованном защитными металлическими стенами, которые предотвращают влияние внешних магнитных полей на результаты исследования. На голову пациента надевается специальный, со встроенными сенсорами, шлем. Во время магнитоэнцефалографии пациент может сидеть или лежать. Исследование абсолютно безболезненное и может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. После записи происходит анализ данных, конечным результатом которого является заключение о предполагаемом местонахождении воспалительного очага или очага эпилепсии.
Магнитоэнцефалография по сравнению с электроэнцефалографией обладает рядом преимуществ. Прежде всего, это связано с бесконтактным методом регистрации. Магнитоэнцефалография не испытывает искажений от кожи, подкожной жировой клетчатки, костей черепа, твердой мозговой оболочки, крови, так как магнитная проницаемость для воздуха и для тканей примерно одинакова.
В процессе регистрации отражаются только источники активности, которые расположены тангенциально (параллельно черепу), так как магнитоэнцефалография не реагирует на радиально ориентированные источники. Благодаря этим свойствам магнитоэнцефалография позволяет определять локализацию только корковых диполей, тогда как в электроэнцефалографии суммируются сигналы от всех источников независимо от их ориентации, что затрудняет их разделение. Магнитоэнцефалография не требует индифферентного электрода и снимает проблему выбора места для реально неактивного отведения.
Магнитоэнцефалография дополняет информацию об активности мозга, получаемую с помощью электроэнцефалографии.
Компьютерная томография основана на использовании новейших технических методов и вычислительной техники, позволяющих получить множество изображений одной и той же структуры и ее объемное изображение.
Суть томографических методов исследования – получение срезов мозга искусственным путем. Для построения срезов используют либо просвечивание, например, рентгеновскими лучами, либо излучение от мозга, исходящее от изотопов, введенных предварительно в мозг.
Различают структурную и функциональную томографию. Рентгеновская томография относится к структурной. Позитронно-эмиссионная томография, которую еще называют прижизненным методом функционального изотопного картирования мозга, относится к функциональной.
Из методов компьютерной томографии наиболее часто используется метод позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод позволяет охарактеризовать активность различных структур мозга на основе изменения метаболических процессов. При обменных процессах нервные клетки используют определенные химические элементы, которые можно пометить радиоизотопами. Усиление активности сопровождается усилением обменных процессов, и в областях повышенной активности образуется скопление изотопов, по которым и судят об участии тех или иных структур в психических процессах.
В неврологии позитронно-эмиссионная томография позволяет выявить функциональные изменения головного мозга при сосудистых заболеваниях, деменциях, а также применяется для дифференциальной диагностики очаговых образований. В 2003 году ученым-медикам удалось впервые в мире прижизненно с помощью позитронно-эмиссионной томографии поставить достоверный диагноз на ранних стадиях болезни Альцгеймера.
Болезнь Альцгеймера – это заболевание, связанное с гибелью клеток головного мозга и ведущее к тяжелым расстройствам памяти, интеллекта, других когнитивных функций, а также к серьезным проблемам в эмоциональной и поведенческой сферах. Главная опасность в том, что дегенеративные процессы в течение первых 15-20 лет протекают в организме человека незаметно.
Другим широко используемым методом является ядерно-магнитно-резонансная томография. Метод основан на получении изображения, отражающего распределение плотности ядер водорода (протонов), при помощи электромагнитов, расположенных вокруг головы человека.
Водород является одним из химических элементов, участвующих в метаболических процессах, и потому его распределение в структурах мозга является надежным показателем их активности. Преимущество этого метода состоит в том, что его использование, в отличие от позитронно-эмиссионной томографии, не требует введения в организм радиоизотопов и вместе с тем так же, как позитронно-эмиссионная томография, позволяет получить четкие изображения «срезов» мозга в различных плоскостях.
Технология магнитно-резонансной томографии, которая основана на ядерно-магнитно-резонансной томографии достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электро-магнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Молекулы в организме при этом разворачиваются согласно направлению магнитного поля. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где строится изображение и проводится обработка полученных данных.
В настоящее время о вреде магнитного поля ничего не известно. Однако большинство ученых считают, что в условиях, когда нет данных о его полной безопасности, подобным исследованиям не следует подвергать беременных женщин. По этим причинам, а также в связи с высокой стоимостью и малой доступностью оборудования компьютерная и ядерно-магнитно-резонансная томографии назначаются по строгим показаниях в случаях спорного диагноза или безрезультатности других методов исследований. Магнитно-резонансная томография не может также проводиться у тех людей, в организме которых находятся различные металлические конструкции – искусственные суставы, водители ритма сердца, дефибрилляторы, ортопедические конструкции, удерживающие кости.
Мозговая ткань не имеет собственных энергетических ресурсов и зависит от непосредственного притока кислорода и глюкозы, поставляемых через кровь. Поэтому увеличение локального кровотока может быть использовано в качестве косвенного признака локальной мозговой активации.
Метод разработан в 50-х и начале 60-х годов. Он основан на измерении скорости вымывания из ткани мозга изотопов ксенона или криптона (изотопный клиренс) или же атомов водорода (водородный клиренс).
Скорость вымывания радиоактивной метки прямо связана с интенсивностью кровотока. Чем интенсивнее кровоток в данном участке мозга, тем быстрее в нем будет накапливаться содержание радиоактивной метки и быстрее происходить ее вымывание. Увеличение кровотока коррелирует с ростом уровня метаболической активности мозга.
Регистрация метки производится с помощью многоканальной гамма-камеры. Применяют два метода введения изотопов. При инвазивном методе изотоп вводят в кровяное русло через сонную артерию. Регистрацию начинают через 10 с после инъекции и продолжают в течение 40-50 с. Недостаток этого метода состоит в том, что можно исследовать только одно полушарие, которое связано с той сонной артерией, в которую сделана инъекция. Кроме того, не все области коры снабжаются кровью через сонные артерии.
Более широкое распространение получил неинвазивный способ измерения локального кровотока, когда изотоп вводят через дыхательные пути. Человек в течение 1 мин вдыхает очень малое количество инертного газа ксенона-133, а затем дышит нормальным воздухом. Через дыхательную систему изотоп попадает в кровяное русло и достигает мозга. Метка уходит из мозговой ткани через венозную кровь, возвращается к легким и выдыхается. Скорость вымывания изотопа в различных точках поверхности полушарий преобразуется в значения локального кровотока и представляется в виде карты метаболической активности мозга. В отличие от инвазивного метода в этом случае метка распространяется на оба полушария.
Наталья Петровна Бехтерева в своем выступлении сказала, что «Исследование мозговой организации различных видов психической деятельности и состояний привело к накоплению материала, свидетельствующего, что физиологические корреляты разных видов психической активности могут быть обнаружены почти в каждой точке мозга. С середины 20 века не утихают споры об эквипотенциальности мозга и локалицианизме — представлений о мозге как о лоскутном одеяле, сотканном из самых различных центров. Сегодня ясно, что истина посередине, и принят третий, системный подход: высшие функции мозга обеспечиваются структурно-функциональной организацией с жесткими и гибкими звеньями».
В институте мозга человека под руководством Натальи Павловны Бехтеревой был проведен эксперимент, когда добровольцам предлагали составить рассказ из слов. При этом исследовалась локальная скорость мозгового кровотока.
На слайде визуально представлены достоверные различия локального мозгового кровотока при выполнении творческого задания по сравнению с нетворческим. Полученные результаты привели авторов к заключению, что «творческая деятельность обеспечивается системой из большого числа распределенных в пространстве звеньев, причем каждое звено играет особую роль и демонстрирует определенный характер активации». Тем не менее, они выделили зоны, которые, по-видимому, вовлечены в творческую деятельность более других. Это префронтальная кора обоих полушарий. Исследователи считают, что эта область связана с поиском нужных ассоциаций, извлечением смысловой информации из памяти, удержанием внимания. Сочетание этих форм активности, вероятно, приводит к рождению новой идеи.